(57)【要約】【課題】  締結荷重の変動を抑制しつつ燃料電池セルの接触抵抗を低減させることができ、かつ、積層方向に小型化することができる燃料電池スタックを提供する。【解決手段】  燃料電池スタック（１００）は、複数の燃料電池セル（１１）を含む積層部品が積層された積層体（１０，２１，２２，３１，３２，４０）と、トーションバースプリング（７１，７２）の付勢力を利用して積層体に対し積層部品の積層方向に荷重を加える荷重付与手段（７１，７２，８１，８２）と、を備えることを特徴とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池セルを含む積層部品が積層された積層体と、
トーションバースプリングの付勢力を利用して前記積層体に対し前記積層部品の積層方向に荷重を加える荷重付与手段と、を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記荷重付与手段は、付勢された前記トーションバースプリングと前記トーションバースプリングに接続されたアームとを含み、前記アームを介して前記積層体に荷重を付与することを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記積層部品の積層方向に前記積層体を挟持する一対のエンドプレートをさらに備え、
前記トーションバースプリングは、前記一対のエンドプレートの少なくも一方に配置されていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記トーションバースプリングの径は、前記エンドプレートの厚さよりも小さく、
前記トーションバースプリングは、前記エンドプレートの厚みに収まるように配置されていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記トーションバースプリングは、前記エンドプレートに挿入されていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記積層体は、積層方向の少なくとも一方の端にプレート部材を含み、
前記トーションバースプリングは、前記プレート部材に配置されていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記積層部品の積層方向に前記積層体を挟持する一対のエンドプレートをさらに備え、
前記荷重付与手段は、前記アームを前記エンドプレートに押し付けることによって前記積層体に荷重を付与することを特徴とする請求項６記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率が実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。
【０００３】
一般に、燃料電池は、複数の燃料電池セルが積層され、積層方向に所定の荷重がかけられて締結されたスタック構造を有している。このようなスタックにおいては、燃料電池セル内の接触抵抗が増大すると、内部抵抗損失が増大して端子電圧が低下するおそれがある。そこで、皿バネを利用してスタックに締結力を加える燃料電池スタックが開示されている（例えば、特許文献１参照）。この技術によれば、皿バネの弾性力を利用して燃料電池セル内の接触抵抗の低減化を図ることができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−２９４２６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、皿バネには、伸張および収縮する際の荷重にヒステリシスが存在する。そのため、スタックの締結荷重が変動してしまう。そこで、このようなヒステリシスが発生しにくいコイルスプリングを利用することが考えられる。しかしながら、コイルスプリングはスプリング軸方向に長さを有しているので、スタック全体が積層方向に大型化してしまう。
【０００６】
本発明は、締結荷重の変動を抑制しつつ燃料電池セルの接触抵抗を低減させることができ、かつ、積層方向に小型化することができる燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る燃料電池スタックは、複数の燃料電池セルを含む積層部品が積層された積層体と、トーションバースプリングの付勢力を利用して積層体に対し積層部品の積層方向に荷重を加える荷重付与手段と、を備えることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明に係る燃料電池スタックにおいては、荷重付与手段によって積層体に荷重が付与される。それにより、燃料電池セル内における接触抵抗を低減させることができる。ここで、一般的にトーションバースプリングのねじり力には、ヒステリシスが生じにくい。したがって、本発明に係る燃料電池スタックの締結荷重の変動を抑制することができる。また、トーションバースプリングは積層体とともに積層する必要がないことから、本発明に係る燃料電池スタックを積層方向に小型化することができる。
【０００９】
荷重付与手段は、付勢されたトーションバースプリングとトーションバースプリングに接続されたアームとを含み、アームを介して積層体に荷重を付与してもよい。この場合、トーションバースプリングの付勢力がアームによる押し付け力に変換されて積層体に荷重が付与される。
【００１０】
積層部品の積層方向に積層体を挟持する一対のエンドプレートをさらに備え、トーションバースプリングは、一対のエンドプレートの少なくも一方に配置されていてもよい。また、トーションバースプリングの径はエンドプレートの厚さよりも小さく、トーションバースプリングはエンドプレートの厚みに収まるように配置されていてもよい。この場合、トーションバースプリングは燃料電池スタックの積層長さを構成しない。したがって、燃料電池スタックを積層方向に小型化することができる。なお、トーションバースプリングは、エンドプレートに挿入されていてもよい。
【００１１】
積層体は積層方向の少なくとも一方の端にプレート部材を含み、トーションバースプリングはプレート部材に配置されていてもよい。また、積層部品の積層方向に積層体を挟持する一対のエンドプレートをさらに備え、荷重付与手段は、アームをエンドプレートに押し付けることによって積層体に荷重を付与してもよい。この場合、トーションバースプリングは燃料電池スタックの積層長さを構成しない。したがって、燃料電池スタックを積層方向に小型化することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、燃料電池スタックの締結荷重の変動を抑制しつつ燃料電池セルの接触抵抗を低減させることができ、かつ、燃料電池スタックを積層方向に小型化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。なお、各実施例において、正面側、背面側、一側面側および他側面側とは、それぞれ、発電部１０の正面側、背面側、一側面側および他側面側のことを示す。
【実施例１】
【００１４】
図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池スタック１００を説明するための模式図である。図１（ａ）は燃料電池スタック１００の上面図を示し、図１（ｂ）は燃料電池スタック１００の正面図を示す。図１（ｂ）に示すように、燃料電池スタック１００は、発電部１０、ターミナル２１，２２、インシュレータ３１，３２、プレッシャープレート４０、エンドプレート５１，５２、テンションプレート６１，６２、トーションバースプリング７１，７２およびアーム８１，８２を備える。
【００１５】
発電部１０は、複数の燃料電池セル１１が積層された構造を有する。発電部１０における燃料電池セル１１の積層数は、例えば、数百程度である。燃料電池セル１１は、セパレータ、アノード、電解質、カソードおよびセパレータが順に積層された構造を有する。ターミナル２１は発電部１０上に積層され、ターミナル２２は発電部１０下に積層されている。ターミナル２１，２２は、発電部１０の発生電力を外部に取り出すための配線等を備える。
【００１６】
インシュレータ３１はターミナル２１上に積層され、インシュレータ３２はターミナル２２下に積層されている。インシュレータ３１，３２は、絶縁体から構成され、発電部１０の発生電力の漏電を防止する。プレッシャープレート４０は、インシュレータ３１上に積層されている。プレッシャープレート４０は、トーションバースプリング７１，７２からの荷重を発電部１０に伝達するための部材である。エンドプレート５１はプレッシャープレート４０上に積層され、エンドプレート５２はインシュレータ３２下に積層されている。
【００１７】
テンションプレート６１，６２は、それぞれ発電部１０の一側面側および他側面側に発電部１０と接触しないように設けられている。なお、テンションプレート６１，６２と発電部１０との間に絶縁シート等が設けられていてもよい。エンドプレート５１とエンドプレート５２との間には、トーションバースプリング７１，７２によって所定の荷重が印加されている。テンションプレート６１，６２のそれぞれは、エンドプレート５１およびエンドプレート５２に複数の締結ボルトによって締結されている。この場合、各積層部品に締結荷重がかかる。
【００１８】
トーションバースプリング７１，７２は、例えば、棒状の熱間加工バネ鋼からなる。本実施例においては、トーションバースプリング７１，７２の径は、エンドプレート５１の厚さよりも小さく設定されている。図１（ａ）に示すように、トーションバースプリング７１は、エンドプレート５１の一側面側かつ正面側の突出部に、エンドプレート５１の厚みに収まるように固定され、背面側に伸びるように配置されている。トーションバースプリング７１の他端には、アーム８１の一端が接続されている。アーム８１は、一側面側から他側面側に伸びるように配置されている。アーム８１の他端は、プレッシャープレート４０の上面に接触している。トーションバースプリング７１には、アーム８１からプレッシャープレート４０に下方向の所定の荷重が印加されるように、所定のねじり力が付勢されている。
【００１９】
トーションバースプリング７２は、エンドプレート５１の他側面側かつ背面側の突出部に、エンドプレート５１の厚みに収まるように固定され、正面側に伸びるように配置されている。トーションバースプリング７２の他端には、アーム８２の一端が接続されている。アーム８２は、他側面側から一側面側に伸びるように配置されている。アーム８２の他端は、プレッシャープレート４０の上面に接触している。トーションバースプリング７２には、アーム８２からプレッシャープレート４０に下方向の所定の荷重が印加されるように、所定のねじり力が付勢されている。
【００２０】
以上のことから、トーションバースプリング７１，７２は、発電部１０に対して所定の締結荷重を印加する。それにより、燃料電池セル１１内における接触抵抗を低減させることができる。なお、トーションバースプリング７１，７２からプレッシャープレート４０にかかる荷重は、例えば、５ｋＮ〜９５ｋＮ程度である。また、燃料電池セル１１内のシール線圧を確保することができる。なお、一般的にトーションバースプリングのねじり力には、ヒステリシスが生じにくい。したがって、燃料電池セル１１が熱膨張等によって伸縮する場合においても、締結荷重の変動を抑制することができる。また、本実施例のようにトーションバースプリングがエンドプレート５１の厚みに収まるように配置されていることから、トーションバースプリングが燃料電池スタック１００の積層長さを構成しない。したがって、燃料電池スタック１００を積層方向に小型化することができる。
【００２１】
なお、トーションバースプリング７１，７２は、一部においてベアリング等によって支持されていてもよい。アーム８１，８２とプレッシャープレート４０との接触面には、耐摩耗性向上のための表面処理が施されていることが好ましい。燃料電池セル１１の伸縮に伴って、アーム８１，８２とプレッシャープレート４０との間に摩擦力がはたらくからである。例えば、焼入れおよび焼き戻しによって、アーム８１，８２およびプレッシャープレート４０のそれぞれの接触面の耐磨耗性を向上させることができる。
【００２２】
本実施例においては、燃料電池セル１１、ターミナル２１，２２、インシュレータ３１，３２およびプレッシャープレート４０が積層部品に相当し、トーションバースプリング７１，７２およびアーム８１，８２が荷重付与手段に相当する。
【実施例２】
【００２３】
続いて、本発明の第２実施例に係る燃料電池スタック１００ａについて説明する。燃料電池スタック１００ａが図１の燃料電池スタック１００と異なる点は、トーションバースプリングが４本設けられている点およびエンドプレート５１の代わりにエンドプレート５１ａが設けられている点である。以下、燃料電池スタック１００ａの詳細について説明する。なお、前述した実施例１と同一符号を付した部材は、実施例１と同様のものであり、実施例１と同様の位置に配置されている。
【００２４】
図２は、燃料電池スタック１００ａを説明するための模式図である。図２（ａ）は燃料電池スタック１００ａの上面図を示し、図２（ｂ）燃料電池スタック１００ａの正面図を示す。図２（ａ）に示すように、エンドプレート５１ａは、両側部の中央部に、両側部方向に突出する突出部を有する。本実施例においては、トーションバースプリング７１ａ〜７４ａの径は、エンドプレート５１ａの厚さよりも小さく設定されている。
【００２５】
トーションバースプリング７１ａは、エンドプレート５１ａの一側面側に前後方向に伸びるように配置されている。トーションバースプリング７１ａの一端は、エンドプレート５１ａの一側面側の突出部の背面側に、エンドプレート５１ａの厚みに収まるように固定されている。トーションバースプリング７１ａの他端には、アーム８１ａの一端が接続されている。アーム８１ａは、一側面側から他側面側に伸びるように配置されている。アーム８１ａの他端は、プレッシャープレート４０の上面に接触している。
【００２６】
トーションバースプリング７２ａは、エンドプレート５１ａの一側面側に前後方向に伸びるように配置されている。トーションバースプリング７２ａの一端は、エンドプレート５１ａの一側面側の突出部の正面側に、エンドプレート５１ａの厚みに収まるように固定されている。トーションバースプリング７２ａの他端には、アーム８２ａの一端が接続されている。アーム８２ａは、一側面側から他側面側に伸びるように配置されている。アーム８２ａの他端は、プレッシャープレート４０の上面に接触している。
【００２７】
トーションバースプリング７３ａは、エンドプレート５１ａの他側面側に前後方向に伸びるように配置されている。トーションバースプリング７３ａの一端は、エンドプレート５１ａの他側面側の突出部の背面側に、エンドプレート５１ａの厚みに収まるように固定されている。トーションバースプリング７３ａの他端には、アーム８３ａの一端が接続されている。アーム８３ａは、他側面側から一側面側に伸びるように配置されている。アーム８３ａの他端は、プレッシャープレート４０の上面に接触している。
【００２８】
トーションバースプリング７４ａは、エンドプレート５１ａの他側面側に前後方向に伸びるように配置されている。トーションバースプリング７４ａの一端は、エンドプレート５１ａの他側面側の突出部の正面側に、エンドプレート５１ａの厚みに収まるように固定されている。トーションバースプリング７４ａの他端には、アーム８４ａの一端が接続されている。アーム８４ａは、他側面側から一側面側に伸びるように配置されている。アーム８４ａの他端は、プレッシャープレート４０の上面に接触している。
【００２９】
トーションバースプリング７１ａ〜７４ａには、アーム８１ａ〜８４ａからプレッシャープレート４０に下方向の所定の荷重が印加されるように、所定のねじり力が付勢されている。以上のことから、トーションバースプリング７１ａ〜７４ａは、発電部１０に対して所定の締結荷重を印加する。このように、トーションバースプリングの数量は特に限定されるものではない。なお、トーションバースプリング７１ａ〜７４ａは、一部においてベアリング等によって支持されていてもよい。
【００３０】
本実施例においては、トーションバースプリング７１ａ〜７４ａおよびアーム８１ａ〜８４ａが荷重付与手段に相当する。
【実施例３】
【００３１】
続いて、本発明の第３実施例に係る燃料電池スタック１００ｂについて説明する。燃料電池スタック１００ｂが図１の燃料電池スタック１００と異なる点は、エンドプレート５１の代わりにエンドプレート５１ｂが設けられている点である。以下、燃料電池スタック１００ｂの詳細について説明する。なお、前述した実施例１と同一符号を付した部材は、実施例１と同様のものであり、実施例１と同様の位置に配置されている。
【００３２】
図３は、燃料電池スタック１００ｂを説明するための模式図である。図３（ａ）は燃料電池スタック１００ｂの上面図を示し、図３（ｂ）燃料電池スタック１００ｂの正面図を示す。図３（ａ）に示すように、エンドプレート５１ｂは、内部にトーションバースプリングの固定部を有する。トーションバースプリング７１ｂ，７２ｂの径は、エンドプレート５１ｂの厚さよりも小さく設定されている。
【００３３】
トーションバースプリング７１ｂは、エンドプレート５１ｂの中央部から背面側に伸びるように、エンドプレート５１ｂに挿入されるとともに固定されている。トーションバースプリング７１ｂの背面側の端部には、アーム８１ｂの一端が接続されている。アーム８１ｂの他端は、プレッシャープレート４０の上面に接触している。トーションバースプリング７１ｂには、アーム８１ｂからプレッシャープレート４０に下方向の所定の荷重が印加されるように、所定のねじり力が付勢されている。
【００３４】
トーションバースプリング７２ｂは、エンドプレート５１ｂの中央部から正面側に伸びるように、エンドプレート５１ｂに挿入されるとともに固定されている。トーションバースプリング７２ｂの正面側の端部には、アーム８２ｂの一端が接続されている。アーム８２ｂの他端は、プレッシャープレート４０の上面に接触している。トーションバースプリング７２ｂには、アーム８２ｂからプレッシャープレート４０に下方向の所定の荷重が印加されるように、所定のねじり力が付勢されている。
【００３５】
以上のことから、トーションバースプリング７１ｂ，７２ｂは、発電部１０に対して所定の締結荷重を印加する。このように、トーションバースプリング７１ｂ，７２ｂがエンドプレート５１ｂ内に挿入されることによって、燃料電池スタック１００ｂの積層方向における長さを小さくすることが可能である。なお、トーションバースプリング７１ｂ，７２ｂは、一部においてベアリング等によって支持されていてもよい。
【００３６】
本実施例においては、トーションバースプリング７１ｂ，７２ｂおよびアーム８１ｂ，８２ｂが荷重付与手段に相当する。
【実施例４】
【００３７】
続いて、本発明の第４実施例に係る燃料電池スタック１００ｃについて説明する。燃料電池スタック１００ｃが図３の燃料電池スタック１００ｂと異なる点は、エンドプレート５１ｂの代わりにエンドプレート５１ｃが設けられている点およびトーションバースプリングが４本設けられている点である。以下、燃料電池スタック１００ｃの詳細について説明する。なお、前述した実施例１と同一符号を付した部材は、実施例１と同様のものであり、実施例１と同様の位置に配置されている。
【００３８】
図４は、燃料電池スタック１００ｃを説明するための模式図である。図４（ａ）は燃料電池スタック１００ｃの上面図を示し、図４（ｂ）燃料電池スタック１００ｃの正面図を示す。トーションバースプリング７１ｃ〜７４ｃの径は、エンドプレート５１ｃの厚さよりも小さく設定されている。図４（ａ）に示すように、エンドプレート５１ｃは、内部にトーションバースプリングの固定部を有する。トーションバースプリング７１ｃは、エンドプレート５１ｃの中央部の一側面側から背面側に伸びるようにエンドプレート５１ｃに挿入されるとともに固定されている。トーションバースプリング７１ｃの背面側の端部には、アーム８１ｃの一端が接続されている。アーム８１ｃは、トーションバースプリング７１ｃから一側面側に伸びるように配置されている。アーム８１ｃの他端は、プレッシャープレート４０の上面に接触している。
【００３９】
トーションバースプリング７２ｃは、エンドプレート５１ｃの中央部の一側面側から正面側に伸びるようにエンドプレート５１ｃに挿入されるとともに固定されている。トーションバースプリング７２ｃの正面側の端部には、アーム８２ｃの一端が接続されている。アーム８２ｃは、トーションバースプリング７２ｃから一側面側に伸びるように配置されている。アーム８２ｃの他端は、プレッシャープレート４０の上面に接触している。
【００４０】
トーションバースプリング７３ｃは、エンドプレート５１ｃの中央部の他側面側から背面側に伸びるようにエンドプレート５１ｃに挿入されるとともに固定されている。トーションバースプリング７３ｃの背面側の端部には、アーム８３ｃの一端が接続されている。アーム８３ｃは、トーションバースプリング７３ｃから他側面側に伸びるように配置されている。アーム８３ｃの他端は、プレッシャープレート４０の上面に接触している。
【００４１】
トーションバースプリング７４ｃは、エンドプレート５１ｃの中央部の他側面側から正面側に伸びるようにエンドプレート５１ｃに挿入されるとともに固定されている。トーションバースプリング７４ｃの正面側の端部には、アーム８４ｃの一端が接続されている。アーム８４ｃは、トーションバースプリング７４ｃから他側面側に伸びるように配置されている。アーム８４ｃの他端は、プレッシャープレート４０の上面に接触している。
【００４２】
トーションバースプリング７１ｃ〜７４ｃには、アーム８１ｃ〜８４ｃからプレッシャープレート４０に下方向の所定の荷重が印加されるように、所定のねじり力が付勢されている。以上のことから、トーションバースプリング７１ｃ〜７４ｃは、発電部１０に対して所定の締結荷重を印加する。なお、トーションバースプリング７１ｃ〜７４ｃは、一部においてベアリング等によって支持されていてもよい。
【００４３】
本実施例においては、トーションバースプリング７１ｃ〜７４ｃおよびアーム８１ｃ〜８４ｃが荷重付与手段に相当する。
【００４４】
なお、上記各実施例においては一方のエンドプレートにトーションバースプリングが配置されているが、両方のエンドプレートに配置されていてもよい。すなわち、トーションバースプリングに接続されたアームによって発電部１０が挟持されていてもよい。
【実施例５】
【００４５】
続いて、本発明の第５実施例に係る燃料電池スタック１００ｄについて説明する。燃料電池スタック１００ｄが図１の燃料電池スタック１００と異なる点は、エンドプレート５１の代わりにエンドプレート５１ｄが設けられている点およびプレッシャープレート４０の代わりにプレッシャープレート４０ｄが設けられている点である。以下、燃料電池スタック１００ｄの詳細について説明する。なお、前述した実施例１と同一符号を付した部材は、実施例１と同様のものであり、実施例１と同様の位置に配置されている。
【００４６】
図５は、燃料電池スタック１００ｄを説明するための模式図である。図５（ａ）は燃料電池スタック１００ｄの透過図を示し、図５（ｂ）燃料電池スタック１００ｄの正面図を示す。トーションバースプリング７１ｄ，７２ｄの径は、エンドプレート５１ｄの厚さよりも小さく設定されている。
【００４７】
図５（ａ）に示すように、プレッシャープレート４０ｄは、内部にトーションバースプリングの固定部を有する。トーションバースプリング７１ｄは、プレッシャープレート４０ｄの中央部から背面側に伸びるようにプレッシャープレート４０ｄに挿入されるとともに固定されている。トーションバースプリング７１ｄの背面側の端部には、アーム８１ｄの一端が接続されている。アーム８１ｄの他端は、エンドプレート５１ｄの下面に接触している。
【００４８】
トーションバースプリング７２ｄは、プレッシャープレート４０ｄの中央部から正面側に伸びるようにプレッシャープレート４０ｄに挿入されるとともに固定されている。トーションバースプリング７２ｄの正面側の端部には、アーム８２ｄの一端が接続されている。アーム８２ｄの他端は、エンドプレート５１ｄの下面に接触している。トーションバースプリング７１ｄ，７２ｄには、アーム８１ｄ，８２ｄからエンドプレート５１ｄに上方向の所定の荷重が印加されるように、所定のねじり力が付勢されている。
【００４９】
以上のように、トーションバースプリングがプレッシャープレートに設けられていてもよい。この場合においても、トーションバースプリングによって、発電部１０に対して所定の締結荷重を印加することができる。なお、トーションバースプリング７１ｄ，７２ｄは、一部においてベアリング等によって支持されていてもよい。
【００５０】
本実施例においては、トーションバースプリング７１ｄ，７２ｄおよびアーム８１ｄ，８２ｄが荷重付与手段に相当し、プレッシャープレート４０ｄがプレート部材に相当する。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の第１実施例に係る燃料電池スタックを説明するための模式図である。
【図２】本発明の第２実施例に係る燃料電池スタックを説明するための模式図である。
【図３】本発明の第３実施例に係る燃料電池スタックを説明するための模式図である。
【図４】本発明の第４実施例に係る燃料電池スタックを説明するための模式図である。
【図５】本発明の第５実施例に係る燃料電池スタックを説明するための模式図である。
【符号の説明】
【００５２】
１０  発電部
１１  燃料電池セル
４０  プレッシャープレート
５１  エンドプレート
７１，７２，７３，７４  トーションバースプリング
８１，８２，８３，８４  アーム
１００  燃料電池スタック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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